Performance analysis of proton exchange membrane fuel cell battery: effect of ambient temperature

N. A. Faddeev; Фаддеев Н. А.; I. V. Vasyukov; Васюков И. В.; M. A. Belichenko; Беличенко М. А.; A. V. Serik; Серик А. В.; N. V. Smirnova; Смирнова Н. В.

doi:10.31857/S0424857024030048

Performance analysis of proton exchange membrane fuel cell battery: effect of ambient temperature

Authors: Faddeev N.A.¹, Vasyukov I.V.¹, Belichenko M.A.¹, Serik A.V.¹, Smirnova N.V.¹
Affiliations:
1. South Russian State Polytechnic University (NPI) named after M.I. Platov
Issue: Vol 60, No 3 (2024)
Pages: 191–197
Section: Articles
URL: https://bakhtiniada.ru/0424-8570/article/view/265488
DOI: https://doi.org/10.31857/S0424857024030048
EDN: https://elibrary.ru/RBUTTV
ID: 265488

Cite item

Full Text

Abstract
Full Text
About the authors
References
Supplementary files
Statistics

Abstract

A model of a membrane electrode assembly is considered, taking into account the influence of various climatic conditions on power density. An analysis of the developed model is demonstrated in comparison with a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) stack operating at different ambient temperatures. The discrepancy between the obtained data (less than 10%) between the model and experiment in the temperature range from −10 to +10°С is shown. The optimal ambient temperature for battery operation was 10°C. The decrease in specific power with an increase in temperature for every 10°C above zero was 0.006–0.008 W/cm², which is an insignificant change and can be compensated by using a buffer energy storage device.

Keywords

open-cathode fuel cells, modeling, PEMFC stack

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Системы энергопитания на основе топливных элементов с протонообменной мембраной (ПОМТЭ) становятся все более популярными в качестве источников энергии мобильных целевых средств различных сред применения, в том числе в робототехнике, транспорте и беспилотных летательных аппаратах (БПЛА) [1]. Мощность таких систем энергопитания невелика и составляет несколько киловатт (кВт) [2], поэтому в них используется воздушная система охлаждения ПОМТЭ, в ходе работы которой реагирующий воздух напрямую забирается из окружающей среды и удаляется в нее, отчего эти системы получили название “топливные элементы с открытым катодом”. При этом большая часть тепла, генерируемого во время работы, рассеивается в окружающую атмосферу посредством принудительной конвекции воздуха по каналам охлаждения в биполярных пластинах.

БПЛА с системой энергопитания на основе ПОМТЭ все чаще используются в целях военного и гражданского применения для сложных и разнообразных задач, решение которых с участием человека представляет определенную опасность. Однако при работе БПЛА внешние климатические условия могут резко меняться и оказывать влияние на стабильность работы и изменение характеристик системы энергопитания.

Стоит отметить, что ранее уже были проведены исследования работы батареи ПОМТЭ с открытым катодом в различных условиях с использованием климатической камеры [3], в результате которых зарегистрированная максимальная удельная мощность была ниже 0.2 Вт/см². Другие исследования были направлены на изучение влияния повышенной внешней температуры на удельную мощность единичного ПОМТЭ и стека, состоящего из пяти единичных элементов [4]. Эксперимент проводили при температуре окружающей среды 55℃ с увлажненным водородом и сухим воздухом. Максимальная удельная мощность единичного ПОМТЭ и батареи достигали 0.3 и 0.25 А/см² соответственно. Кроме того, проводились работы по моделированию массо- и теплопереноса в стеке ПОМТЭ с открытым катодом [5–7] с использованием коммерческого программного обеспечения ANSYS Fluent для исследований вычислительной гидродинамики. В других работах [8, 9] однофазная вычислительная модель стека ПОМТЭ с открытым катодом была разработана с помощью программного обеспечения COMSOL Multiphysics®. В описанных выше исследованиях основное внимание было уделено прогнозированию максимальной температуры батареи ПОМТЭ, управлению ее температурными режимами и контролированию температурного градиента.

Ранее нами была продемонстрирована модель батареи ПОМТЭ с открытым катодом, позволяющая прогнозировать ее работу в различных климатических условиях [10]. В ее основе лежала модель мембранно-электродного блока (МЭБ), учитывающая влияние различных климатических условий на его мощностные характеристики. В данной работе проведен анализ разработанной модели в сравнении с стеком ПОМТЭ, работающим при различных температурах окружающей среды. Результаты исследования позволят усовершенствовать разработанную модель и, в дальнейшем, проектировать системы энергопитания на основе ПОМТЭ для специальных приложений с прогнозированием эксплуатационных характеристик в непредсказуемо изменяющихся климатических условиях.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Модель мембранно-электродного блока ПОМТЭ была разработана с использованием программного обеспечения COMSOL Multiphysics®-электродного блока, непосредственно МЭБ представлен серией из пяти смежных однородных интервальных подобластей, включающих в себя два газодиффузионных слоя (ГДС) с нанесенными слоями катализатора и расположенной между ними протонообменной мембраной (ПОМ) [10]. Процессы переноса заряда, энергии, частиц газа и воды описываются с помощью связанных дифференциальных уравнений в частных производных второго порядка (табл. 1). Источники (S) приравниваются к расходимости каждого потока (j).

Таблица 1. Уравнения, используемые в модели

Наименование	Поток	Уравнение неразрывности
Закон Ома для электронов (𝜙_e)	$j_{e} = - σ_{e} \nabla ϕ_{e}$	$\nabla \cdot j_{e} = S_{e}$
Закон Ома для протонов (𝜙_p)	$j_{p} = - σ_{p} \nabla ϕ_{p}$	$\nabla \cdot j_{p} = S_{p}$
Растворенная вода в иономере (λ)	$j_{λ} = - (D_{λ} / V_{m}) \nabla λ + (ξ / F) j_{p}$	$\nabla \cdot j_{λ} = S_{λ}$
Теплопроводность (Фурье) (T)	$j_{T} = - k \nabla T$	$\nabla \cdot j_{T} = S_{T}$
Закон Дарси (перенос жидкой воды) (s)	$j_{s} = - (κ / μ V_{w}) (\partial p_{s} / \partial s) \nabla s$	$\nabla \cdot j_{s} = S_{s}$
Диффузия водяного пара ()	$j_{H_{2} O} = - C D_{H_{2} O} \nabla χ_{H_{2} O}$	$\nabla \cdot j_{H_{2} O} = S_{H_{2} O}$
Диффузия водорода ()	$j_{H_{2}} = - C D_{H_{2}} \nabla χ_{H_{2}}$	$\nabla \cdot j_{H_{2}} = S_{H_{2}}$
Диффузия кислорода ()	$j_{O_{2}} = - C D_{O_{2}} \nabla χ_{O_{2}}$	$\nabla \cdot j_{O_{2}} = S_{O_{2}}$
$j_{e}$ – поток электронов $j_{p}$ – поток протонов j_λ–молярный поток связанной H₂O $σ_{}$ – электропроводность $\nabla ϕ$ – градиент фазовых потенциалов $F$ – постоянная Фарадея k – теплопроводность T – абсолютная температура $κ$ – коэффициент проницаемости $λ$ – содержание воды в иономере	$j_{T}$ – тепловой поток $j_{х}$ – диффузионный поток (х – H₂O, H₂, O₂) $j_{s}$ – поток жидкой воды $D_{λ}$ – коэффициент диффузии растворенной воды $ξ$ – коэффициент электроосмотического сопротивления $V_{w}$ – молярный объем жидкой воды $μ$ – динамическая вязкость жидкой воды $p_{s}$ – капиллярное давление s – насыщение жидкой водой $D_{x_{}}$ – коэффициент диффузии (х – H₂O, H₂, O₂)

Для описания потока электронов (j_е) в слое катализатора и ГДС применяется закон Ома. Аналогичное уравнение используется для описания потока протонов (j_p) в фазе электролита в слое катализатора и ПОМ. Закон Фурье позволяет описать тепловой поток (j_T), который является основным методом передачи тепловой энергии в МЭБ [11]. Число молекул воды (H₂O) на кислотную группу (λ) в иономере позволяет представить степень его увлажнения [12]. Для описания переноса жидкой воды использовалась теория ненасыщенного потока Дарси [13]. Последние три уравнения в табл. 1 посвящены переносу газовых частиц в МЭБ. Если не учитывать переход газов через ПОМ, то достаточно учитывать кислород в катодном пространстве, водород в анодном пространстве и водяной пар в обеих газовых смесях. Простейшей транспортной моделью для переноса газов является закон Фика (j_x = −D_xC∇χ_x) [14], где j_x – диффузионный поток; D – коэффициент диффузии; C∇χ_x – градиент концентрации.

Схема испытаний батареи ПОМТЭ в различных климатических условиях представлена на рис. 1. Данная схема включает в себя климатическую камеру СМ-60/75-80 ТВХ (Россия), программируемую электронную нагрузку АТН-8185 (АКТАКОМ, Россия) и стек ПОМТЭ, содержащий многофункциональный электротехнический комплекс (ЭТК), который состоит из энергоэффективного преобразователя напряжения и системы управления подачей топлива и отвода продуктов реакции. В ЭТК интегрированы датчики измерения температуры, относительной влажности окружающего воздуха, выходных данных напряжения, тока и мощности стека ПОМТЭ для дальнейшей консолидации полученных измерений.

Рис. 1. Схема испытательного стенда.

Номинальная мощность стека ПОМТЭ с открытым катодом и тупиковым анодом составляла 450 Вт, а самоувлажнение батареи происходило за счет протекания электрохимических процессов и короткого замыкания. Во время экспериментов стек ПОМТЭ помещался в климатическую камеру для контроля температуры окружающей среды (T_окр.ср.). Относительная влажность воздуха (φ_окр.ср.) в климатической камере поддерживалась на уровне 40% на протяжении всех экспериментов за счет постоянного обновления и циркуляции воздуха. Стоит отметить, что при относительной влажности менее 40% воздух считается сухим и это отрицательно сказывается на проводимости ПОМ. Самой распространенной и оптимальной принята относительная влажность воздуха в диапазоне от 40 до 70%. В качестве топлива использовался водород технический марки А в соответствии с ГОСТ 3022-80 с массовой концентрацией водяных паров при 20°С и 101.3 кПа (760 мм рт. ст.) не более 0.2 г/м³. Дополнительные системы увлажнения водорода не применялись, так как интеграция таких систем в состав батареи ПОМТЭ негативно скажется на массогабаритных характеристиках систем энергопитания мобильных целевых средств, в том числе БПЛА. Входные параметры испытаний приведены в табл. 2.

Таблица 2. Входные параметры испытаний

Топливо	Водород технический марки А (ГОСТ 3022-80)
Окислитель	Воздух
Рабочее давление топлива	0.5–0.7 бар
Максимальный расход топлива	4700 см³/мин
Стехиометрия топлива	1.4
Стехиометрия окислителя	2.5
Относительная влажность окислителя на входе	40%
Относительная влажность топлива на входе	≤1%
Температура окружающей среды	от −10 до +50°С

Испытания проводились с использованием одного образца батареи ПОМТЭ. Вольт-амперные характеристики измерялись несколько раз, при этом для каждой температуры окружающей среды было вычислено среднее значение удельной мощности. Между экспериментами последовательно производилась остановка батареи ПОМТЭ путем снятия нагрузки и процедура приведения образца в рабочее состояние для обеспечения необходимого уровня увлажнения МЭБ. Перед измерением вольт-амперных характеристик батарея ПОМТЭ находилась в климатической камере при температуре окружающей среды до сходимости заданного значения и фиксируемого датчиком температуры, входящего в состав батареи ПОМТЭ. Конструктивные характеристики единичного ПОМТЭ приведены в табл. 3.

Таблица 3. Конструктивные характеристики единичного ПОМТЭ

Катализатор	Pt/C. Носитель – Vulcan XC-72, [Pt] – 40%
Газодиффузионный слой	Freudenberg H23C3
Мембрана	Протонобменная мембрана Nafion™ 212
Биполярная пластина	Катод открытого типа. Материал – титан
Габариты единичного ПОМТЭ	240×40×2.2 мм
Зона электрохимической реакции	69 см²
Мощность единичного ПОМТЭ	8 Вт

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Рассмотрено влияние температуры окружающей среды в диапазоне от −50 до +50°С. Для сравнения выходные характеристики стека ПОМТЭ представлены в виде удельной мощности на 1 см² зоны электрохимической реакции.

Сравнение удельной мощности, рассчитанной в результате моделирования и полученной экспериментально при различных температурах окружающей среды, представлено на рис. 2. Сравнивая значения удельной мощности, полученные экспериментально и с помощью модели, можно увидеть минимальные расхождения (менее 10%) в диапазоне температур от −10 до +10°С. Максимальные значения мощностных характеристик при температуре окружающей среды +10℃ в модели и эксперименте составили 0.199 и 0.172 Вт/см² соответственно (рис. 2а). На рис. 2а видно, что в области потенциалов 0.9–0.6 В присутствуют потери, обусловленные активационной поляризацией, что в основном связано с кинетикой реакции восстановления кислорода. Для области омических потерь (0.6–0.5 В) характерна линейная зависимость напряжения от протекаемого тока вследствие влияния сопротивления электролита и электродов переносу ионов и электронов. На высоких плотностях тока (область концентрационной поляризации) доминируют потери, связанные с массопереносом, что в основном характеризуется подводом газов через пористые структуры ГДС и слой катализатора.

Рис. 2. Вольт-амперные и мощностные характеристики при температуре окружающей среды 10°C (а); зависимость удельной мощности от температуры окружающей среды.

Расхождения между экспериментальными данными и моделированием вызвано несовершенством модели. Данная модель пока не учитывает некоторые химические и физические процессы, протекающие во время работы ПОМТЭ, которые могут оказывать значительное влияние на выходные характеристики ПОМТЭ при определенных условиях эксплуатации. Кроме того, модель не учитывает диффузию водорода и кислорода, гидравлического проникновения воды через ПОМ, эффекты газовой и тепловой конвекции, неоднородности в свойствах материалов (смачиваемость и пористость), многоступенчатую кинетику реакций, изменения тафелевского наклона, вызванные образованием оксида платины [15], а также эффекты в тонких пористых слоях [16, 17]. Электрическое и контактное термическое сопротивления [18], образование и таяние льда особенно сильно влияют на выходные характеристики ПОМТЭ при высоких и низких температурах окружающей среды. Расхождение между моделью и экспериментальными данными становится больше при повышении температуры окружающей среды выше +10°C. Это связано с ростом сопротивления металлических биполярных пластин и токоприемников в стеке ПОМТЭ вследствие увеличения удельного сопротивления металлов при нагревании. Кроме того, результаты моделирования показывают возможность работы ПОМТЭ при отрицательных температурах, поскольку модель не учитывает процессы образования и таяния льда, которые могут привести к снижению протонной проводимости ПОМ и нарушению его целостности в реальных условиях эксплуатации ПОМТЭ.

Наблюдаемое изменение удельной мощности батареи ПОМТЭ при смене температуры окружающей среды связано с варьированием ее рабочей температуры. Это четко прослеживается в изменении удельной мощности на рис. 2б (значения, полученные экспериментально). Как только температура окружающей среды снижается, поток воздуха, необходимый для охлаждения, уменьшается и ПОМ меньше высыхает. Вода, образующаяся в ходе электрохимических реакций, удаляется с меньшей скоростью и ПОМ остается более увлажненной [19], что положительно сказывается на мощностных характеристиках. Более того, снижение мощности при повышении температуры окружающей системы связано с повышенным энергопотреблением вспомогательных подсистем стека ПОМТЭ. Снижение удельной мощности стека ПОМТЭ составило 0.006–0.008 Вт/см² при каждом повышении температуры на 10°C, что составляет менее 5% от номинальной мощности и может быть компенсировано за счет использования буферного накопителя энергии в виде аккумулятора или суперконденсатора. Мощность, необходимая для вспомогательных подсистем, возрастает при повышении температуры окружающей среды вследствие необходимости поддержания оптимальной рабочей температуры в стеке ПОМТЭ, при этом напряжение и эффективность стека снижаются, так как питание подсистем осуществляется от самого стека ПОМТЭ. Резкое снижение удельной мощности стека ПОМТЭ связано с процессами образования и таяния льда в мембране, поэтому при дальнейшем проектировании и изготовлении системы энергопитания на основе стека ПОМТЭ с открытым катодом необходимо учитывать специфику работы ПОМТЭ при отрицательных температурах. При разработке систем энергопитания на основе ПОМТЭ необходимо учитывать систему нагрева и/или рекуперации выделяемого тепла для решения проблемы обледенения при работе энергосистемы в условиях экстремально низких температур окружающей среды.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе предложена модель мембранно-электродного блока, учитывающая влияние различных климатических условий на выходные характеристики. Продемонстрирован анализ разработанной модели в сравнении со стеком ПОМТЭ, работающим при различных температурах окружающей среды. Показано расхождение полученных данных между моделью и экспериментом (менее 10%) в диапазоне температур от −10 до +10°С. Увеличивающиеся расхождения между экспериментальными данными и моделированием при температурах ниже нуля и выше +10°С обусловлены несовершенством модели, которая не учитывает ряд параметров, оказывающих влияние на удельные мощностные характеристики стека ПОМТЭ. Снижение удельной мощности стека ПОМТЭ при повышении температуры на каждые 10°C выше нуля составило менее 5%, что является несущественным и может быть компенсировано за счет использования буферного накопителя энергии.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Работа выполнена в рамках стратегического проекта “Системы водородной энергетики” Программы развития ЮРГПУ (НПИ) при реализации программы стратегического академического лидерства “Приоритет-2030”.